（机械设计及理论专业论文）带式输送机运行阻力系数的研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 带式输送机运行阻力系数的研究 摘要 带式输送机，以连续动作式设备的特点，广泛应用于煤炭、电力、冶 金等行业的散状物料运输。 运行阻力系数，是计算带式输送机的运行阻力和功率的基本参数和重 要参数。现行的运行阻力系数，有不规范、不准确之嫌。为了更准确的掌 握运行阻力系数的变化规律及其数值大小，本文对运行阻力系数进行详尽 的研究。 通过对带式输送机系统的分析可知，影响带式输送机运行阻力系数的 因素有很多。将带式输送机整体看作一个连续系统，建立了带式输送机模 型的动力学微分方程，根据带式输送机运行阻力不同的产生原因，将其分 成不同的组成部分，并求出各部分阻力系数的数学表达式。 以带式输送机系统动力学理论为理论基础，以a d a m s 软件为虚拟样 机，基于一定的简化理论和假设条件，用c m d 命令文件建立带式输送机系 统实体模型；在这个实体模型的基础之上，详细分析了在不同工况下带式 输送机运行阻力系数的变化趋势。 在带式输送机虚拟样机模型中，分三种不同的带速、三种不同的运输 载荷和三种不同托辊直径对带式输送机运行过程中驱动滚筒的阻力矩做了 动态仿真，并得出了相应的运行阻力系数。仿真结果表明：降低输送带的 运行速度将减小输送机运行阻力系数，并且运行阻力系数在低带速的情况 下与理论结果相近，在高带速的情况时与理论结果相差较大；运输载荷越 大，输送机运行阻力系数就越大；托辊直径越大，运行阻力系数就越小。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：带式输送机，运行阻力系数，离散模型，a d a m s 仿真 太原玛!ii人。、兰堕!王塑塑尘：!：笪堡壅一一 。一一一 r e s e a r c ho ni ) r a gc o e f f i c i e n t f o rb e l t c o n v e y o r a b s t r a c r l b e l tc 。n v e y 。r i s ac ( ) 1 1 t i n l l ( ! ) u sc 。n v e y i n ge q u i p m e n t t 、0 rm a t e r i a l t r a n s p ( r t a t i 。nw i d e l yu s e d i 1 1e l e c t i ，i cp ( w e r ，c 。a l ，p 。r t s ，b u i l d i n gn l a t e r i a l sa n d p a r a m e t e r s o fc a l c u l a t i n gt h er u n n i n g r e s i s t a f i c ea n dt h ep o w e ro ft h e b e l t c o n v e y o r h o w e v e r t h e n o r m a t i v ea n da c c u 。a c y o ft h ec u r r e n t r u n mn g r c s i s t a n c ec 。e 踊c 矾i su 1 1 s a “s f a c t o r y s 。i n t h i sp a p e rw eh a v em a d e t h e e x h a u s t i v ea n a l y s i s 。fr u n n i n gr e s i s t a n c ec 。e m c i e n tt 。m a s t e r t h ev a r i a t i o na n d t h en u m e r i c a lo tl t t h r o u 2 ht h ea n a l y s i so ft h e b e l tc o n v e y o rs y s t e m ，t h e r ea r em a n y t a c t o r s a f f e c tt h er e s i s t a n c ec o e f f i c i e r 【to ft h e b e l tc o n v e y o r r e g a r d i n gt h ew h o l eb e l t c o n v e v o ra s ac o n t i n u o u ss y s t e _ 1 1 1 ， w ee s t a b l i s h e dt h ed y n a m l c d l f i e r e n t l a l e a u a t i o no f t h eb e l tc o n v e y o l r o o d e l ，a c c o r d i n g t ot h ed i f f e r e n tc a u s eo ft h e r u n n i n gr e s i s t a n c e 。fb e l tc o n v e y o r ，i t w i l lb ed i v i d e di n t od i f f e r e n tp a r t ，a n d o b t a i nt h em a t h e m a t i c a le x p r e ：s s i 。n s 。fe v e r y r e s i s t a n c ec o e m c i e n t b a s i n g0 nt h es y s t e md y n a m i c st h e o r yo ft h e b e l tc o n v e y o ra sw e l i a s t a k i n gt h ea d a m ss o f t w a l e a st h ev i r t u a lp r o t o t y p e ，b a s e d o nt h e c e l l a l n s i m p l i f i e dt h e o r ya n dh y p o t h e s i sc o n d i t i o n ，t h e s o l i dm o d e lo ft h eb e l tc o n v e y o r i sg i v e nw i t hc m d o r d e r e df i l e si nt h i st h e o r y ；o nt h eb a s i so f t h i se n t l t ym o d e l , t h ec h a n g i n gt r e n do ft h er u n n i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n to f t h eb e l tc o n v e y o r1 n d i f f e r e n tc o n d i t i o n si sa n a l y s e di nd e t a i l i nt h eb e l tc 。n v e y 。rv m a lp r o t 。t y p i n gm o d e l ，s t u d y i n g o nt h ed y n a m i c s i m u l a t i 。n 。ft h e 洒s t a n c el n 。m e n t 。fd r i v i n gd r u md u r i n g t h em 。m e n to ft h e n0 p mdn aa k uon en nm 0 n e g n 孓 n dm m edo 太原理i ：大学顾十研究生学位论文 一一一 b e l tc o n v e y o ri nt h r e ed i f f e r e n tk i n d so fb e l ts p e e d ，t h r e ed i f f e r e n tt r a n s p o r t a t i o n l o a da n dt h r e ei ：t i f f e r e n tr o l l e rd i a m e t e r ，a n dg e t st h ec o r r e s p o n d i n gc o n c l u s i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l ti s a sf o l l o w s ：t h el o w e rt h eb e l tv e l o c i t y ，t h es m a l l e rt h e ce n t t h e ；t a n e ec o e “1c i e n ti ni o ws p e e di srunning r e s i s t a n c ec o e t t l c l e n tr u n n i n gr e s i s t a n c ec o e l l l i s i m i l a rw i t ht h et h e o r e t i c a lr e s u l t ，w h i l ei nh i g hs p e e dh a sl a r g e rd i f f e r e n c e ；a s t h eh e a v i e rt h et r a n s p o r t a t i o nl o a d ，t h eb i g g e rt h er u n n i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t ； t h e1 a r g e l r o l l e rd i a m e t e gt h es m a l l e rr u n n i n gr e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t k e yw o r d s ：b e l tc o n v e y o r ，r e s i s t a n c ec o e f f i c i e n t s ，d i s c r e t em o d e l ，a d a m s s i m u l a t i o n 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 带式输送机的结构 第一章绪论 带式输送机是一种以摩擦为驱动的连续运送物料的机械设备。可将需要输送的物 料放置在设定的输送线上，由输送起点运送到输送终点，以此形成物料的输送流程。按 照此种方式，不但可以实现松散物料的输送，还可以进行成件物品的输送。无论是水平 运输还是倾斜运输中，使用带式输送机都十分便利，在选矿厂、矿山的井下巷道、露天 采矿场及矿井地面运输系统中都广泛使用带式输送机。此后，由于多种工业技术的进步， 如机械制造、冶金、化工和电机，带式输送机被进一步完善，不再局限于车间内部的物 料输送，而是逐步实现了企业内部和企业间以至于城市问的物料转移，成为物料搬运机 械化和自动化不可缺少的重要组成部分。 带式输送机由输送带、托辊、滚筒及驱动、机架、张紧、改向、装载、卸载、清扫 等装置组成【l j ，如图1 - 1 所示。 拉 图卜1 带式输送机结构图 f i g 1 1 q a es t r u c t u r ed i a g r a mo f b e l tc o n v e y o r 由上图可以看出，绕过头部的驱动滚筒和尾部的换向滚筒使得输送带形成一个无极 闭合带。安装在机架上的托辊支撑着上下分支的输送带，此种设计很好的限制了输送带 的挠曲垂度，同时拉紧装置所提供的拉紧力使得输送带得以f 常的运行，以免在驱动滚 筒上打滑。驱动装置一般由电动机、减速器和制动器等部分组成，主用于提供输送 太原理工大学硕士研究生学位论文 机的动力。当驱动装置带动驱动滚筒旋转时，通过滚筒与输送带产生的摩擦作用为带 式输送机提供所需要的牵引力，使得输送带得以运动，从而实现物料的输送。此外， 带式输送机还可以根据实际应用的需要，在输送带上的任何一点上完成装卸料。 1 2 国内外研究文献综述 多年来，带式输送机的运行阻力一直是工程技术人员深入研究和探讨的课题。 国内外众多研究人员针对各种不同性能的输送带、不同的物料、不同运量的带式输 送机进行了一系列现场试验和研究并取得了大量的研究成果。 赵引峰在“大型带式输送机各种阻力的讨论”【2 】中通过对带式输送机运行阻力的 讨论分类，确定了带式输送机运行阻力的类型以及各类阻力阻力的内容和确定方法， 可以作为研究带式输送机运行阻力的重要工具。 j e r z ya n t o n i a k 在“r e s i s t a n c e st ot h em o t i o ni nm i n i n gb e l tc o n v e y o r s ” 3 1 中通过对 带式输送机运行实例的测试来确定输送机主要运行阻力对输送机运行结果的影响。 s i l e s i a n 科技大学的研究人员实施对采矿带式输送机的测量很多年了。测试包括的 带式输送机具有输送距离长、输送路线复杂和输送量大等特点。鉴于目前输送距离的变 长的同时输送速度也在增快，准确的计算输送机的运行阻力在输送机的设计过程中就显 得尤为重要，c r a i g a w h e e l e r ，a l a n w r o b e r t s 幂i l m a r k g j o n e s 在“c a l c u l a t i n g t h ef l e x u r e r e s i s t a n c eo f b u l ks o l i d st r a n s p o r t e do nb e l tc o n v e y o r s ”t 4 j d e 对于上述叙述的问题作出了 研究。 而a l s p a u g l l 在“l a t e s td e v e l o p m e n t si nb e l tc o n v e y o rt e c h n o l o g y ”【5 】一文中通过分析 输送机的实例运用，对带式输送机相关数值的精确性和可靠性进行了论述。w h e e l e r 在 “p r e d i c t i n gt h em a i nr e s i s t a n c eo f b e l tc o n v e y o r s ”【6 】一文中讨论了带式输送机主要运行 阻力的各组成部分，并且介绍了各组成部分的计算方法。 马素平在“带式输送机运行有害阻力和阻力系数研究” 7 1 中揭示了带式输送机运行 过程中形成不利阻力的原因及其随着输送机运行状态所产生的变化，并探讨了运行阻力 系数随输送机长度的变化特征。 丰尚奇在“带式输送机托辊选用与运行阻力系数取值的探讨” 8 】中根据对带式输送 机运行状况的现场调查，找出托辊在运转中存在的问题。据此分析了托辊在选用、运行 阻力系数取值以及安装调试和维护方面对整机运行的影响，提出了解决问题的方法。 宋伟刚和赵琛在“带式输送机阻力随带速变化规律性的实验研究”【9 】一文中分析了 太原理工大学硕士研究生学位论文 影响带式输送机主要运行阻力的因素，在此基础上采用带式输送机运行阻力实验台对托 辊运行阻力系数进行了实验研究，根据实验结果得出了运行阻力与带速呈线性变化，并 给出了其线性函数关系和系数，：这个结果有益于带式输送机设计与动态分析。 目前带式输送机广泛应用于长距离、大运量、高带速的运输，对输送带运行阻力也 应该较之前进行更加仔细的分类：和更深入的理论分析。韩刚、马树茂和唐宪锋三人在“带 式输送机托辊压陷阻力的理论计算”【1o 一文给出了一个关于输送带的压陷滚动阻力的 精确计算方法。毛君、杨彩红在“带式输送机压陷阻力理论研究”【l l 】和“带式输送机压 陷阻力能耗法研究”【1 2 】中从理论上研究了输送机压陷阻力的能耗机理，并得出输送带通 过托辊时的压陷阻力及其系数的理论公式。 李滋峰和张生刚在“胶带输送机运行阻力、摩擦系数的现场测定州1 3 l 文中阐述了 如何精确的就运行阻力系数和摩擦系数的取值进行现场测定。乔杰在“托辊阻力系数的 测试原理与方法” 1 4 1 叙述了托辊：在带式输送机中的重要作用，并给出了托辊阻力系数的 测试原理与方法。 综上所述，对于带式输送机运动过程中所受运行阻力及影响因素已经进行了诸多的 研究，但是还有很多问题需要做：进一步的研究，主要在：一、带式输送机的运行过程是 一个多因素的过程，包含输送带的力学性能、输送带的速度、运行过程中的作用条件、 托辊直径等因素。二、为了更好地研究带式输送机运行阻力系数的变化规律，要应用各 种手段对带式输送机运行过程进行监测，对收集到的各种信息进行分析研究。三、采用 数据计算的方法可以得到大量工况信息，并通过适合的动态模型与软件进行大量的实验 仿真得出各种工况的相关信息，比较获取的两种信息，分析带式输送机运行过程中运行 阻力系数的变化趋势。 1 3 选题的目的和意义 带式输送机已成为了重要的散状物料连续运输设备，广泛应用于冶金、矿山、港口、 粮食和化工等领域，带式输送机的应用提高了企业的生产工作效率，从而带式输送机大 量的被企业应用。 带式输送机如同其它运输机械群，在运行过程中会受到各种各样的运行阻力，运 行阻力的计算是带式输送机设计计算的基础和关键，根据设计任务的不同和带式输送机 的特点，带式输送机运行阻力计算通常有两种：近似计算和精确计算。近似计算适用于 带宽较小、运距较短的带式输送机的设计或带式输送机的选型设计；而对于长运距、大 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 功率的带式输送机，须根据输送机的具体工作条件做出相应的详细分析和精确计算 15 1 。 在带式输送机系统的整体设计过程中，选择设计标准是首要的同时也是最关键的一 步。设计标准的选择能够决定设计的结果与实际的需要是否符合。在不同的设计标准下， 最明显的差异是运行阻力的计算。我们知道，带式输送机的动力设备是电动机，而输送 机运行阻力直接决定着电动机最终功率的选择。在进行运行阻力计算的过程中，运行阻 力系数取值过小，使得运行阻力的计算结果小于实际情况，导致系统出现无法正常运行 的现象；而如果运行阻力系数取值偏大，使得运行阻力的计算结果大于实际情况，则会 导致浪费，出现“大马拉小车”现象，失去了该有的经济效益。另外，输送带的选用也 取决于运行阻力的计算结果。在工业生产系统中，带式输送机的运行阻力系数和摩擦系 数是随着环境条件的变化而变化的。因此，从手册中查到的数据与实际情况有着较大的 差异，这就造成计算中选用的参数的随意性较大，运行阻力计算不准确。 综上所述，：大型带式输送机的动态计算与设计方法的日趋重要，计算工具日益精良， 对带式输送机运行阻力系数进行研究是非常有必要的。此外，还可以能够提高设计效率， 对带式输送机的发展产生巨大的经济效益。 1 4 本课题研究的主要内容 ( 1 ) 对输送带的粘弹性特性进行分析，为输送带的动力学分析提供理论依据； ( 2 ) 通过对带式输送机运动过程的分析，总结出运动过程中的主要阻力的理论计 算及其影响因素； ( 3 ) 充分考虑带式输送机各组成部件的动态特性，在a d a m s 中采用离散法建立 输送带的模型； ( 4 ) 在a d a m s 虚拟样机中，针对不同工况进行带式输送机模型仿真，得出所需 要的仿真结果； ( 5 ) 在分析带式输送机主要运行阻力影响因素的基础上，分析仿真结果并给出运 行阻力系数与带速、载荷、托辊直径等因素的关系。 1 5 本章小结 本章主要介绍了带式输送机的结构，阐述了带式输送机的特点及其发展状况，同时 介绍了国内外对带式输送机运行阻力的研究情况，进而提出了课题的研究目的和意义。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章带式输送机动力学理论 关于带式输送机的运行阻力分析需要涉及到过多个方面：输送机整机系统动力学分 析、输送带的力学特性、驱动装置的机械特性等。输送带作为输送机的核心而重要的部 件，有必要对输送带粘弹性力学特性进行研究，这也是对带式输送机的技术和理论方面 进行的基础研究。为在虚拟样机中建立带式输送机连续模型提供其理论依据。 2 1 输送带的力学特性 输送带是带式输送机中的牵：；i 构件和承载构件，是带式输送机最主要的部件，其价 格一般占整机价格的3 0 一4 0 或以上【1 6 1 。在带式输送机应用于生产的初期，一般用于短 距离的输送，在对其理论研究的过程中，通常把输送带作为弹性体甚至刚体来处理，其 理论计算的数据和实际生产中的采样结果基本吻合。随着技术水平的提高，带式输送机 的输送距离不断增长，输送量也越来越大，如果仍把输送带看作弹性体或刚体分析，计 算结果就会与实际情况产生较大差异，此时必须考虑输送带性能的影响。在大型带式输 送机中，输送带通常采用钢丝绳芯输送带，它是由钢丝绳作为带芯，外加覆盖胶制作而 成，覆盖胶的材料主要是橡胶和塑料【1 7 】，而这两种材料力学上的本构关系要按粘弹性特 征考虑，在运行过程中表现出较复杂的粘弹性力学特性。 2 1 1 静特性 假设输送带所受到的外力极其缓慢，运行时间无限长，运行后输送带所表现的静应 力仃与静应变s 之间的关系为e = f ( a ) ，此静应力与静应变的关系即为输送带的静特性。 由力学方程可知： e ：旦 s f 仃2 彳 式中：仃输送带静应力，p a ； s 输送带静应变； ，输送带所受的外力，n ； 彳输送带受力的横截面积，m 2 。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 ，2 动特性 1 ) 应力一应变的非线形关系 输送带在承受拉力的情况下，拉力与变形的关系，也即应力仃和应变g 关系，也不 能与符合虎克定律完全吻合，而呈非线形关系，如图2 - 1 所示。因此其弹性模量e 是应 力的函数，即e = 厂p ) 。 o s o 图2 - 1 输送带应力一应变关系曲线 f i g 2 一lt h es t r e s s s t r a i nc u r v eo fb e l tc o n v e y o r 2 ) 滞后现象 图2 2 加载和卸载时输送带的应力一应变曲线 f i g 2 - 2t h es t r e s s s t r a i nc u r v eo fb e l tc o n v e y o rw h e n t h el o a d i n ga n du n l o a d i n g 如图2 2 所示，输送带在拉伸过程中出现滞后现象。这是因为给输送带加载和卸载 两个过程的应力仃应变s 关系曲线不一致，从而使得输送带在此两种状态下有着不同的 力学特性。 s g 沁 图2 3 输送带蠕变曲线 f i g 2 - 3 t h e e r e e p e u r v e o f b e l t e o n v e y o r 仃 t f 图2 - 4 输送带松弛曲线 f i g 2 4 t h e r e l a x a t i o n e u r v e o f b e l t e o n v e y o r 3 ) 蠕变现象和松弛现象 当作用在输送带上的力保持不变时，随着时间的延续，输送带的变形也会持续增加， 直至趋于定值，即呈现蠕变现象。而如果要使输送带的变形保持不变，那么随着时间的 持续，作用在输：送带上的拉力就应该逐步减小，最后达到恒定值，即出现应力松弛现象。 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 3 和图2 4 是通过实验测定的蠕变曲线和松弛曲线。 4 ) 显著的动态效应 在拉力作用下，输送带会产生变形，这不仅与作用力大小和作用时间有关，而且还 与拉力的变化频率有关。由于输送带的拉伸特性与多种因素有关，具有明显的动态特性， 并且它在输送机上的受力也属于动态情况，所以输送带力学模型的建立，应考虑动态影 响。如图2 5 所示为输送带的弹性模量与张力之间的变化关系。 e 0 f 图2 - 5 输送带弹性模量和张力 f i g 2 5 t h ee l a s t i cm o d u l u sa n dt e n s i o no f b e l tc o n v e y o r 2 2 带式输送机连续模型理论 2 2 1 带式输送机纵向振动连续模型理论 要建立带式输送机纵向连续：模型，必须确定其动力学理论。根据工作经验要建立带 式输送机动力学模型，作如下理论简化【1 8 ：( 1 ) 输送带各处力学性能相同；( 2 ) 把输送带 视作一维杆件，并且其变形服从虎克定律；( 3 ) 输送带所受阻力用线性阻力等效。 将输送带简化为一个一维杆件，建立输送带的波动方程，利用波动方程对输送带进 行动态研究。设传动滚筒与承载部的交点为坐标原点0 ，改向滚筒位于x = l 。如图2 - 6 ， 距坐标原点x 处截取一段微元体矗进行受：勾分析，得带式输送机动态特性数学模型。 出 a g 月( 盯十竽) 出 r ，z j 吼i r x d ，。 彤( t ) d x 图2 - 6 微元体受力 1 7 i g 2 6t h es t r e s so fe l e m e n t 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 输送带的动态特性方程： _ 8 i 2 u r c 2 _ = c 3 = 2 u r ：g ( x ，f ) ，c 2 ：e a ，g ( x ，f ) ：一墨 ( 2 1 ) 可吖。万2 g ( 鹕2 百g ( x ，) 一贯 2 1 传动滚筒的边界条件： 学刮f ) ( 2 _ 2 ) 式中：只选取分支输送带的阻力，n ； q x 选取分支输送带单位长度上的质量，k g m ： u ( x ，t ) 一一输送带上任一点的绝对位移，m ； e 输送带的弹性模量，p a ； 彳输送带横截面的承载面积，i t l 2 。 又因存在u ( x ，f ) = u ( x ，0 ) + u ( x ，t ) ，故原方程可简化为： 警l _ _ c a 撕2 u 。= 0 , c 2 = - - e a 出力一孝 协3 ， 学训 ( 2 - 4 ) 上式为一维杆的振动方程。 2 2 2 带式输送机横向振动连续模型理论 在大型带式输送机中，输送带横向振动会导致输送机托辊等部件的损坏。建立带式 输送机横向振动的模型，要对输送带进行简化，若只是把输送带看成带条，与实际情况 相差较大。实际上，输送带具有一定的宽度，且在两托辊之间又有一定的垂度，所以应 将输送带看作平板小变形问题。显然，以平板理论对输送带进行分析，可减小产生的误 兰【1 9 在 o 根据a h a m s o n 2 0 】【2 1 】【2 2 】梁兆正【2 3 的工作经验得到输送带横向振动模型为： q 警+ 2 b 焉+ b 等+ 甜等一乃警= 。 心 其中b = 匕d l + 2 砬= v 1 d 2 + 2 皱 式中：d i ，d 2 一一输送带在弹性主向上的弯曲刚度， n m 2 ： 破输送带在弹性主向上的扭转刚度，n m 2 ； 8 太原理工大学硕：i 二研究生学位论文 嵋，输送带在弹性主向上的泊松系数； 输送带横向挠度，m m ； u 输送带单位面积的质量，k g ； 瓦沿输送带纵向方向上单位宽度张力，n ； 2 2 3 带式输送机的动力学模型 通过对输送机的阻力和输送带的力学性质进行不同的处理方式，己经建立了许多带 式输送机的动力学模型。 1 ) 将输送带按弹性体处理，主要考虑输送机的运行阻力和初张力的影响： 盈m m t p m e b 提出： 尝一吉掣=厂量地业sgn(氅+q212觑0(1axa tea t2 4 f o 一去t ) 6 ) 2 c 2 2。 增“、 觑 2 ， 。 上式是较早得到的输送带的动力学方程，在计算中考虑到了运行阻力与运行方向相 反的问题，并体现了初张力的影响。 2 ) 将输送带按粘弹性处理，考虑运行阻力的影响： f u n k e 提出： 窘啪a a _ u - - g = c 2 ( 窘竹意) 协7 ， a #a t ja t l a # a t 。 此方程考虑了输送机的运行阻力及其与带速间的关系，将运行阻力分为与带速成有 关和与带速无关两部分，但没有考虑阻力的方向问题。 z u r 提出： 朋孚川i 0 2 u r + r 祟) ：即力叫列) 一珑廿( 2 - 8 ) 朋刁f 一点( 瓦r + r 而) 2 f 。( x ，) 一( 五。) 一珑v 上式的最后一项考虑了输送带位移的惯性力，但是文中并没有给出阻力项的具体表 达式。 刘克勋提出： m 窘+ f 言叫等+ r 豢， 沼9 ， 式( 2 - 6 ) 一( 2 9 ) 中： f 输送带粘弹性时间常数； 输送带的单位长度质量，k g m ； 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 g g 一一单位长度输送带上物料的质量，k g m ； 鼋肋一一折算到单位长度上承载段托辊的等效质量，k g ； 万一一输送机的铺设倾角，。； e 一一输送带的初张力，它是位置x 的函数，n ； 丁一一输送带在时间t 时刻的张力，n ； f ( x ，l ) 驱动装置的驱动力，n ； ? 7 1 一一输送带单位长度的质量，k g m ； 1 ，一一输送带刚体运动速度，m s ； ，一一输送机单位长度上的运行主要阻力，n 。 可以看出：式( 2 9 ) 与式( 2 8 ) 形式相近。式( 2 9 ) 不仅涉及到运行阻力与带速成比 例的部分，还考虑了刚体位移的影响；式中x 包括了刚体位移和弹性位移，所以这种处 理是恰当的，但由于难以建立刚体位移和弹性位移间的关系，就无法进行求解。实际上， f u n k e 方程中己考虑了此问题，因此在处理过程中将刚体位移惯性力的影响忽略了。 3 ) 离散有限元模型 根据离散化单元模型原理，可将带式输送机动力学方程写成矩阵形式。 n o r d e l l 【2 4 】圭黾出： f ( t ) = m i i + k u + 玩- t - h ( i t ，u ) 十c ( u ，f ( f ) ) + a ( u ) ( 2 1 0 ) 式中：f ( t ) 力矩阵： g 一轴向运动几何刚度矩阵； m 一一质量矩阵； k 一一输送带的刚度矩阵； y 一一输送带粘性阻尼矩阵： c 一一库仑摩擦矩阵； h 一一输送带固有滞后阻尼矩阵。 2 3 本章小结 本章首先描述了输送带的静特性和动特性，以此基础为基础介绍了建立带式输送机 连续模型的理论依据，并且根据输送机的阻力和输送带的力学性质不同的处理方式，详 细介绍了三种带式输送机的动力学模型。 l o 太原理工大学硕：士研究生学位论文 第三章带式输送机运行阻力系数的理论基础 运行阻力的计算是带式输送机设计计算过程的基础和关键，并且驱动电机功率的最 终选择是由输送机运行阻力决定的。运行阻力系数是计算运行阻力最重要的参数之一。 运行阻力系数选取过小会导致驱动系统的功率不足，输送机无法正常运动；运行阻力系 数选取过大，会造成能源浪费，增加了运输成本。所以有必要对输送带运行阻力系数进 行更加仔细的分类，并做更深入的理论分析。 3 1 带式输送机的运行阻力分析 如同其他运输机械一样，带式输送机在运行中会受到各种各样的运行阻力。确定必 要的驱动功率，要以研究带式输送机的各种运行阻力为前提。为了便于分析计算，可将 带式输送机的运行阻力分为四大类1 2 5 】【2 6 1 ，即：在输送线路上的主要阻力( 中问段阻力) ； 由各种特殊装置产生的特种阻力；输送机各部件上的附加阻力和输送载荷引起的提升阻 力。 3 1 1 主要阻力 带式输送机主要阻力是出现：在输送线路中间段上的，也就是在输送带运行中输送 带、托辊和物料之间相互作用而产生的阻力。对于长距离带式输送机，主要阻力占运行 阻力的绝大部分。主要阻力在输送线路上的分布如图3 1 所示。 彳 输送带的张力损耗 物料碰撞阻力压陷阻力 f 图3 一i 输送带上主要阻力的分布 f i g 3 17 f h ed i s t r i b u t i o no ft h eb e l tr e s i s t a n c e 在i s 0 5 0 4 8 计算方法中，主要阻力就等于整个输送距离上运动的质量作用在垂直于 输送带运动方向上的重力的分量与主要阻力系数的乘积。由此可以得出主要阻力的计算 式为 太原理工大学硕士研究生学位论文 乃= 互g 【9 凡+ 9 r + ( 2 9 占+ g g ) c o s s ( 3 一1 ) 此处的主要阻力系数厂表示的是等效的摩擦系数。它主要受到物料的挤压损耗，输送带 的弯曲损耗、压陷损耗，托辊旋转产生的磨擦阻力和托辊密封装置所产生的阻力等因素 的影响。 ( 1 ) 物料的挤压l 阻力 这种阻力形成的原因是物料具有一定的内摩擦力和粘结力造成，并且托辊间的输送 带呈悬垂形曲线：它与物料本身的特性有一定的关系，还与运输的载荷和输送带张力有 关。如果输送带张力较小，输送带的垂度增大，物料的挤压和拉伸程度比较剧烈，由此 形成的运行阻力比较大。 ( 2 ) 输送带的反复弯曲阻力 输送带在通过托辊时呈曲线状，被反反复复地正向和反向弯曲。这种由输送带的变 形产生的阻力称为输送带的反复弯曲阻力。这种阻力主要与输送带的张力以及输送带上 的载荷有关。 ( 3 ) 输送带在托辊上的压陷阻力 由于输送带是具有一定硬度的弹性体材料，其在自身重力及物料重力作用下会在托 辊上形成压陷。在输送带的运行中，输送带的下覆盖胶不断地被压陷，也就是压陷区域 不断地随输送带移动，导致输送带上压力分布不均匀，从而产生与输送带运行方向相反 的压陷阻力。压陷阻力与输送机系统的张力无关，而与输送带覆盖胶的弹性硬度和输送 带的载荷有关。 ( 4 ) 托辊的运动阻力 托辊的运行阻力主要包含密封装置的阻力和托辊轴承的摩擦阻力，而且密封装置的 阻力占有较大部分。根据测量结果显示，托辊的运行阻力与托辊的转速有关；在通常的 情况下，不受载荷大小的影响。 3 1 2 附加阻力 附加阻力是指在输送机头部驱动站和尾部改向站上各个局部部件上产生的阻力；这 部分阻力在长距离输送机中所占的比例较小。主要存在以下几部分： ( 1 ) 在加料处对物料的进行加速引起的阻力和物料与输送带间相互摩擦造成的阻力 因为物料在落到输送带上之前所具有的速度与输送带的速度，无论在方向上还是大 小上都不同，并且它在输送带速度上的投影速度一般都要小于输送带速度。因此，输送 带要对物料进行加速，使它获得与输送带同样的速度。使物料加速的力就是输送带的运 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 行阻力。加速的过程中由于两者的速度不同，会出现相对摩擦，这种摩擦力也表现为输 送带的运行阻力。 ( 2 ) 输送带在滚筒上的改向阻力 当输送带在改向滚筒上经过时，由于输送带具有一定的弹性和塑性，先要被弯曲， 然后再被拉直。从能量的角度看，弯曲时需要有能量的输入，拉直时则将释放出储存的 变形能量。由于输送带不是完全弹性材料，输入的能量大于释放出的能量，这样就损耗 了一部分的能量，这部分能量就是输送带的改向阻力的体现。输送带经过改向滚筒时， 它们之间的接触面积很大，在输送带上形成的压陷程度也就极小，因此此处的压陷阻力 可忽略不计。 ( 3 ) 物料与侧向导料板之间的摩擦引起的阻力 由于物料流对侧向导料板具有压力，物料运行时，与侧向导料板产生了摩擦构成了 运行阻力。 ( 4 ) 清扫器摩擦阻力 清扫器在一定的压力作用下压在输送带上，当输送带运行时，它们之间就产生了摩 擦阻力。 3 1 3 特种阻力和提升阻力 特殊阻力不是每一个带式输送机都有的，它是不经常出现的阻力，所以当出现这个 阻力的时候才考虑。 提升阻力与提升高度有关，是由于带式输送机倾斜铺设而引起的，它是重力的一个 分力。向上运输时取正，向下运输取负： 3 2 带式输送机的压陷阻力 3 2 1 输送带的压陷模型 当输送带运动经过托辊时，在输送带与托辊的接触区域会形成具有一定迟滞特征的 压陷变形，从而产生压陷阻力 1 7 j 。通过给输送带增加载荷，能够得出压陷深度和压应力 的迟滞回路。输送带的压陷可以用粘弹性模型来表示。测得输送带的迟滞回路曲线如图 3 2 ( a ) 所示，将其线性化为图3 2 ( b ) 曲线。迟滞回路线性化所要遵循的一个原则是保持 迟滞回路所包含的面积鲋不变。 太原堡三查兰堡圭婴塞竺堂篁笙奎一 一一 历 西 f s ( a ) 迟滞回路曲线 ( b ) 迟滞回路线性化模型 图3 - 2 输送带的迟滞回路 f i g 3 2s l u g g i s ho f b e l t 在加载过程和卸载过程中，设压应力仃和压陷深度s 都具有一定的线性关系，对单 位面积的输送带有： 加载过程j i l l l l l i l 量：a l = o 5